DE2741940C2 - Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen in einem Fermenter mit Einrichtungen zur Kontrolle und zur Regelung des Sauerstoffgehaltes im Fermenter, mit einer Abgasleitung, an die eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases angeschlossen ist, und einer Zuführleitung für Luft, wobei im Fermenter mindestens ein Sauerstoffmeßfühler angeordnet ist.

Zur Durchführung aerober Fermentationen werden aerobe Mikroorganismen angesetzt, die stark sauerstoffmangelempfindlich sind. Zum Beispiel kann bei der Herstellung von Essig aus Äthylalkohol mit Hilfe von Essigbakterien (Acetobacter Suboxydans) ein Aussetzen der Sauerstoffversorgung für die Dauer von 15 bis 60 Sekunden bei Gesamtkonzentrationen (Summe aus Volumenprozent Alkohol und g/100 cm¹ Essigsäure) von 11 bis 12% einen Schädigungsgrad von bis zu 100% hervorrufen. Das bedeutet eine Unterbrechung des Fermentationsprozesses und einen Produktionsausfall von ca. 2 bis 3 Wochen, innerhalb der der Prozeß wieder angefahren werden muß.

Andererseits sind manche aerobe Mikroorganismen gegen reinen Sauerstoff oder zu hohe Sauerstoffkonzentrationen nicht resistent Es ist daher für aerobe Fermentationen von Bedeutung, die Sauerstoffkonzentration der Reaktionsmasse konstant innerhalb eines bestimmten Sauerstoffkonzentrationsbereiches zu halten.

Durch die AT-PS 2 34 392 ist es bekannt, die Zufuhr von Nährlösung und Luft in Abhängigkeit vom augenblicklichen Alkoholgehalt der Abgase zu regeln, um hierdurch den Alkoholgehalt des Substrates im Fermenter konstant zu halten. Zur Bestimmung des Alkoholgehaltes wird die Wärmetönung gemessen, die durch die Oxidation des im Abgas enthaltenen Alkohols entsteht. Die Oxidation kann katalytisch oder durch Verbrennen des Alkohols im Restsauerstoff des Abgases erfolgen. Für eine vollständige Verbrennung des Alkohols ist es daher notwendig, daß im Abgas stets eine größere Sauerstoffmenge enthalten ist, als zur Verbrennung erforderlich ist.

Durch die DE-OS 14 42 076 ist es bekannt, zur Regelung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff diesen Gehalt im Substrat (innerhalb des Fermenters) zu messen und die Zuleitung des flüssigen Nährmediums so zu regeln, daß dieser Gehalt konstant bleibt.

In der DE-OS 24 01 436 ist eine Apparatur beschrieben, die einen Fermenter für eine aerobe Reaktionsmasse enthält, dem Sauerstoff und/oder Luft zugeführt wird. Über einen Temperatursensor, durch den die Temperatur der Reaktionsmasse gemessen wird, kann dem Fermenter bei zu hoher Temperatur der Reaktionsmassc mehr Luft und bei zu niedriger Temperatur weniger Luft zugeführt werden. Um die damit schwankende Sauerstoffversorgung zu stabilisiert..; ist im Fermenter eine Sauerstoffmeßsonde angeordnet, die eine automatische Kontrolle eines Ventils für die Sauerstoffzufuhr zum Fermenter bewirkt.

Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß beim Fermentationsprozeß, insbesondere bei der Zuleitung großer Luftmengen, eine Schaumbildung praktisch nicht zu unterdrücken ist. Dies führt zu Schwankungen der Sauerstoffkonzentration im Fermenter, somit zu einer ungenauen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und demzufolge auch zu einer schwankenden Versorgung des Fermenters mit Sauerstoff. Ein optimales Wachstum der aeroben Mikroorganismen ist somit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der bei der Durchführung aerober Fermentationen eine konstante und für das Wachstum der Mikroorganismen optimale, d. h. möglichst hohe Sauerstoffkonzentration eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Fermenter eine Zufuhrleitung für Sauerstoff mündet und daß die Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases ein Sauerstoffmeßfühler mit Schwellwertschalter ist, wobei einerseits der an die Abgasleitung angeschlossene Sauerstoffmeßfühler und andererseits die im Fermenter angeordneten Sauerstoffmeßfühler mit einem Regler, an den ein Sollwertgeber und die Antriebe von Stellgliedern in den Zufuhrlei-

tungen für Luft und Sauerstoff angeschlossen sind, in Verbindung steht bzw. stehen.

Erfindungsgemäß gibt es nun zwei Möglichkeiten, die Sauerstoffkonzentration im Fermenter zu bestimmen. Einerseits bleibt die herkömmliche Meßmethode, d. h. die Ermittlung der Konzentration an einer bestimmten Stelle im Fermenter, bestehen. Andererseits kann die Sauerstoffkonzentration nunmehr auch über den Sauerstoffgehalt im Abgas bestimmt werden. Mit Vorteil ist das Abgas nicht dem lokalen Konzentrationsschwankungen unterworfen wie die durch die Schaumbildung inhomogene Reaktionsmasse. Vielmehr sind Schwankungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas auf tatsächliche, d. h. den gesamten Fermentationsprozeß betreffende Änderungen des Sauerstoffgehaltes zurückzuführen, beispielsweise auf Luftdruckschwankungen, Ausfall der Luftversorgung oder gesteigerten Sauerstoffbedarf der aeroben Mikroorganismen.

Somit ist es möglich, in der Reaktionsmasse eine optimale, d. h. möglichst hohe Sauerstoffkonzentration ohne Schädigung der Mikroorganismen einzuhalten. Da die Mikroorganismen nur den in der Reaktionsmasse gelösten Sauerstoff verbrauchen, ist ein möglichst hohes Sauerstoffangebot für einen beschleunigten Aolauf des Fermentationsprozesses günstig. In vorteilhafter Weise können sich neue Mikroorganismen (Bakterienstämme) bilden, die gegen höhere Sauerstoffkonzentrationen resistent sind und eine höhere Gärleistung bewirken. Somit wird die Chargendauer nichtkontinuierlicher Prozesse verkürzt bzw. die Ausbeute kontinuierlicher Prozesse gesteigert.

Mit Vorteil weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit dem weiteren Sauerstoffmeßfühler über den Schwellwertschalter in Verbindung stehende Regelschaltung auf, die auf die Differenz zwischen Meßwertsignalen und einem in einem Sollwertgeber einstellbaren Sollwert-Vorgabe-Signal anspricht und mit dem Antrieb von Stellgliedern in den Zufuhrieitungen für Sauerstoff und Luft in Verbindung steht.

Ober diese erste Regelstrecke, die aus dem weiteren Sauerstoffmeßfühler, dem Schwellwertschalter und der Regelschaltung besteht, werden die Signale des in der Abgasleitung angeordneten Meßfühlers beim Überschreiten bzw. Unterschreiten eines einstellbaren Schwellwertes für den Sauerstoffgehalt von dem Schwellwertschalter in Meßwertsignale umgesetzt, einer Regelschaltung zugeführt und mi· einem Sollwert-Vorgabe-Signal eines Sollwertgebers verglichen. Weisen diese Signale eine Differenz auf, so werden in der Regelschaltung der Differenz der Signale entsprechende Rcgelsignale an die Antriebe von Stellgliedern, die in den Zufuhrleitungen für Sauerstoff und Luft angeordnet sind, gegeben, wodurch die Einstellung der Stellglieder und somit die Zufuhr von Luft und Sauerstoff korrigiert werden.

Mit Vorteil sind im Fermenter wenigstens zwei Sauerstoffmeßfühler angeordnet, die einer mit der Regelschaltung in Verbindung stehenden Einrichtung zur Mittelwertbildung zugeordnet sind.

Für eine möglichst vollständige Datenerfassung ist die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration an vielen Stellen im Fermenter wünschenswert. Die Anordnung zweier oder mehrerer Sauerstoffmeßfühler im Fermenter ermöglicht die Ermittlung des Konzentrationsgefälles sowie eines Durchschnittswertes für die Sauerstoffkonzentration im Fermenter. Dieser Wert wird in der erwähnten Vorrichtuiig zur Mittelwertbildung aus den Meßwerten der einzelnen Meßfühler herausgemittelt und der Regelschaltung zugeleitet, die in der bereits beschriebenen Weise Korrekturen in der S'auerstoff-Luftversorgung des Fermenters bewirkt Somit enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine zweite Rege-I-strecke, die analog zur ersten, jedoch nicht gleichzeitig mit dieser arbeitet.

Zur Bestimmung der dem Fermenter pro Zeiteinheit

zugeführten Luft- bzw. Sauerstoffmengen dienen Durchflußmeßgeräte, die den Stellgliedern in den Zufuhrleitungen bezüglich der Strömungsrichtung der Luft bzw. des Sauerstoff vorgeschaltet sind.

Mit Vorteil besitzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine weitere Regelschaltung für die Erweiterung von Stellgliedbereichen, die einerseits mit den Durchflußmeßgeräten und andererseits mit den Antrieben weiterer Stellglieder in Verbindung steht, wobei jeweils eines dieser Stellglieder über eine weitere Zufuhrleitung und ein weiteres Durchflußmeßgerät mit der Zuleitung für Luft bzw. Sauerstoff in Parallelschaltung verbunden ist

In Abhängigkeit von den Meßdaten der Durchflußmeßgeräte in den Zufuhrleitungen ff.: Luft und Sauerstoff steuert die weitere Regelschaltung die Antriebe der weiteren Stellglieder an. Da die weiteren Stellglieder bzw. die weiteren Zufuhrleitungen parallel zur Zufuhrleitung für Sauerstoff bzw. Luft geschaltet sind, können die !em Fermenter zugeführten Sauerstoff- bzw. Luftmengen über die Förderleistung der Zufuhrieitungen für Luft oder Sauerstoff hinausgesteigert werden.

Zeigt beispielsweise das Durchflußmeßgerät in der Sauerstoffzufuhrleitung maximalen Durchfijß an, so registriert die Regelschaltung für die Erweiterung des Stellgliedbereiches ein entsprechendes Signal des Durchflußmeßgerätes und setzt den Antrieb des in der weiteren Zufuhrleitung geschalteten Stellgliedes in Gang, wodurch zusätzlicher Sauerstoff dem Fermenter zugeleitet wird. Die Grundlast der Sauerstoff- bzw. Luftversorgung wird nun durch die weitere Zuführleitung übernommen, während die Feineinstellung weiterhin über die Stellglieder in den Zufuhrieitungen für Sauerstoff bzw. Luft erfolgt. Auf diese Weise können die zugeführten Sauerstoff- bzw. Luftmengen in weiten Bereichen verändert werden.
Mit besonderem Vorteil eignet sich die beschriebene, weitere Regelschaltung für die Notversorgung des Fermenters bei Ausfall der Luft- oder Sauerstoffzufuhr. In diesem Fall übernimmt die jeweils intakte Zufuhrleitung die Sauerstoffversorgung des Fermenters, wodurch eine ständige Sauerstoffzufuhr und damit eine konstante Sauerstoffkonzentration im Fermenter gewährleistet ist.

In vorteilhafter W«:ise werden als Antriebe Motoren und als Stellglieder Motorventile oder Magnetventile verwendet.

Mit Vorteil wird die beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Essig nach einem Submers- oder Fesselgärverfahren angewendet.

Die Erfindung soll nun anhand eines in einer Skizze schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden:

Einem Fermenter 1 wird über eine Zufuhrleitung 14 und ein Begasungssystem 2 ein Sauerstofi/Luftgemisch zugeleitet, das teilweise in der Reaktionsmarse gelöst und von den Mikroorganismen verbraucht wird. Das entstehende Abgas wird über Leitung 13 aus dem Fermenter abgezogen. Diese Leitung 13 ist mit einem Schwellwertschalter mit entsprechendem Sauerstoffmeßfühler 6 ausgerüstet.

Weitere Sauerstoffmeßfühler 3,4 sind an verschiedenen Stellen im Fermenter 1 angeordnet. Bei einer Messung der Sauerstoffkonzentration über die Meßfühler 3, 4 erfordert die schwankende Sauerstoffkonzentration im Fermenter eine Vorrichtung 15 zur Mittelwertbildung, in der ein für den Fermenter 1 repräsentativer Durchschnittswert der Sauerstoffkonzentration ermittelt wird. Die für den Fermentationsprozeß relevanten Daten der Vorrichtung 15 bzw. die des Schwellwertschalters werden in einer Regelschaltung 5 registriert und mit den Solldaten eines Sollwertgebers 7 verglichen. Weichen die Meßsignale über einen gewissen Toleranzbereich hinaus vom Sollwert ab. wird die Gasversorgung korrigiert. Dazu dienen getrennte Zufuhrleitungen für Luft 16 und für Sauerstoff 17, in denen jeweils Durchflußmeßgeräte 10, 11 und nachfolgend ein Stellglied 19, 20 mit zugehörigem Antrieb 8,9 angeordnet sind. In Strömungsrichtung der zuzuführenden Gase nach den Stellgliedern 19, 20 sind die beiden Zufuhrleitungen 16, 17 an die Zufuhrleitung 14 angeschlossen. Erfolgt die Sauerstoffversorgung aus Tanks 12 mit komprimierten Sauerstoff, ist ein Druckminderer 18 in der Leitung 17 vorgesehen.

Erfindungsgemäß dienen zur Regelung der Sauerstoffversorgung des Fermenters zwei Regelstrecken:

Regelstrecke I besteht aus dem Sauerstoffmeßfühler 6 mit zugeordnetem Schwellwertschalter sowie dem Sollwertgeber 7, der Regelschaltung 5 und den Stellgliedern 19,20 mit Antrieben 8,9.

Regelstrecke II setzt sich aus den im Fermenter 1 angeordneten Sauerstoffmeßfühlern 3, 4, der Vorrichtung 15 zur Mittelwertbildung, sowie dem Sollwertgeber 7, der Regelschaltung 5 und den Stellgliedern 19,20 mit Antrieben 8,9 zusammen.

Eine Regelung der Gasversorgung kann nun entweder über die Regelstrecke I oder über die Regelstrecke II vorgenommen werden. Die zur Bildung der Stellsignale erforderlichen Meßwerte werden hierzu entweder in den Sauerstoffmeßfühlern 3,4 oder im Sauerstoffmeßfühler 6 mit zugeordnetem Schwellwertschalter gebildet. Eine Korrektur der Gasversorgung erfolgt nun so, daß die Antriebe 8,9 die zugehörigen Stellglieder 19, 20 entsprechend den Stellsignalen der Regelschaltung 5 öffnen bzw. schließen und auf diese Weise das Verhältnis von Luft zu Sauerstoff bzw. die Zufuhrmengen dieser Gase regeln.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist weiterhin eine zur Zufuhrleitung 17 parallel geschaltete Leitung 24 vorgesehen, die bei Punkt 26 von Leitung 17 abzweigt und bei Punkt 23 wieder mit der Leitung 17 verbunden ist. In der weiteren Zufuhrleitung 24 ist ein Magnetventil 22 angeordnet, dem ein Durchflußmeßgerät 25 vorgeschaltet ist.

In der Skizze ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine weitere Zufuhrleitung 24 dargestellt. Erfindungsgemäß ist aber die Zuschaltung weiterer Zufuhrleitungen für Sauerstoff, aber auch weiterer Zufuhrleitungen für Luft möglich.

Ist beispielsweise die Luftzufuhr gestört oder unterbundeis, so steigt der Durchsatz von Sauerstoff durch Leitung »7 an. Zeigt das Durchflußmeßgerät 11 maximalen Durchfluß an, so bewirkt die Regelschaltung 21 für die Erweiterung des Stellgliedbereiches automatisch das öffnen des Magnetventils 22. Der Sauerstoffgrundbedarf wird nun über Leitung 24 gedeckt, während die Feinregelung der Sauerstoffversorgung weiterhin über das Stellglied 20 bzw. den Motor 9 vorgenommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung aerober Fermentationen in einem Fermenter mit Einrichtungen zur Kontrolle und Regelung des Sauerstoffgehaltes im Fermenter, mit einer Abgasleitung, an die eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases angeschlossen ist, und einer Zufuhrleitung für Luft, wobei im Fermenter mindestens ein Sauerstoffmeßfühler angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fermenter(1) eine Zufuhrleitung (17) für Sauerstoff mündet und daß die Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases ein Sauerstoffmeßfühler (6) mit Schwellwertschalter ist, wobei einerseits der an die Abgasleitung (13) angeschlossene Sauerstoffmeßfühler (6) und andererseits die im Fermenter (1) angeordneten Sauerstoffmeßfühler (3, 4) mit einem Regler (5), an den ein Sollwertgeber (7) und die Antriebe (8,9) vqn Stellgliedern (19,20) in den Zufuhrleitungen für Luft (16) und Sauerstoff (17) angeschlossen sind, in Verbindung steht bzw. stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Regelschaltung (5) und den Sauerstoffmeßfühlern (3,4) in Verbindung stehende Einrichtung (15) zur Mittelwertbild'ing.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Durchflußmeßgeräte (10,

11) die den Stellgliedern (19,20) in den Zufuhrleitungen (16, 17) bezüglich der Strömungsrichtung der Luft bzw. des Jauerstoffs vorgeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Ansprirh 3, gekennzeichnet durch eine weitere Regelschaltung (21) für die Erweiterung von Stellgliedbereich!?·!, die einerseits mit den Durchflußmeßgeräten (10, H) und andererseits mit weiteren Stellgliedern (22) in Verbindung steht, wobei jeweils eines dieser weiteren Stellglieder (22) über eine weitere Zufuhrleitung (24) und ein weiteres Durchflußmeßgerät (25) mit einer der Zufuhrleitungen (16,17) für Luft bzw. für Sauerstoff in Parallelschaltungverbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (8,9) Motoren und die Stellglieder (19,20) Motorventile sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Stellglieder (22) Magnetventile sind.

7. Anwendung der Vorrichtung auf die Herstellung von Essig nach einem Submers- oder Fesselgärverfahren.